微型樁—錨索系統(tǒng)設(shè)計(jì)及最優(yōu)錨固力確定研究

侯宗博 洪 政，2*

(1.中鐵西北科學(xué)研究院有限公司，甘肅蘭州 730000;2.蘭州大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院，甘肅蘭州 730000)

1 概述

微型樁是一種小口徑的鉆孔灌注樁，孔徑小于300 mm，樁內(nèi)含有加筋體，根據(jù)工程需要，加筋體通常為鋼筋、鋼管以及廢舊鋼軌等［1，2］。由于微型樁施工快捷且布置形式靈活，因此近年來(lái)在邊坡加固工程中得到廣泛應(yīng)用。在微型樁加固邊坡的相關(guān)研究中，周德培等［3］按照樁—土相互作用原則，討論了微型樁組合結(jié)構(gòu)的抗滑機(jī)制，并按照橫向約束的彈性地基梁法提出了設(shè)計(jì)計(jì)算理論;孫書(shū)偉等［4-6］針對(duì)微型樁群在滑坡推力作用下進(jìn)行了系統(tǒng)的模型試驗(yàn)，基于梁柱理論和彈塑性地基系數(shù)法中的p—y曲線方法，建立了微型樁群加固土質(zhì)邊坡的設(shè)計(jì)方法。上述研究為微型樁加固邊坡的工程應(yīng)用提供了重要的理論依據(jù)。用微型樁加固邊坡時(shí)，由于微型樁截面較小，所以難以進(jìn)行大型邊坡的加固。為了更好地解決微型樁承載力低的問(wèn)題，本文將微型樁與預(yù)應(yīng)力錨索相結(jié)合，提出了一種微型樁—錨索復(fù)合系統(tǒng)。系統(tǒng)中微型樁呈“A”形布置，“A”形微型樁體系對(duì)邊坡的加固類似于樹(shù)根，結(jié)構(gòu)整體性好，外力作用下結(jié)構(gòu)變形小，結(jié)構(gòu)抗彎性能好于行列式布置的豎向微型樁群;此外，本系統(tǒng)在保持微型樁原有施工快捷，組合靈活的基礎(chǔ)上引入預(yù)應(yīng)力錨索結(jié)構(gòu)，在一定程度上提高了結(jié)構(gòu)的抗滑承載力，并通過(guò)數(shù)值模擬確定了錨索的最優(yōu)錨固力。

2 微型樁—錨索系統(tǒng)

微型樁—錨索體系的構(gòu)造見(jiàn)圖1。整個(gè)系統(tǒng)由鉆孔微型樁、預(yù)應(yīng)力錨索及帶肋板的L形預(yù)制件組成。帶肋板的L形鋼筋混凝土預(yù)制件，其底板預(yù)留微型樁孔，側(cè)面預(yù)留錨索孔。微型樁的加筋體通過(guò)底部預(yù)留孔，利用短鋼筋將微型樁內(nèi)主筋焊接在剛性墊板上，工后采用混凝土將預(yù)制件肋板之間的區(qū)域進(jìn)行澆筑，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)錨頭和焊接部位的保護(hù)。微型樁—錨索系統(tǒng)由于引入了預(yù)應(yīng)力錨索，結(jié)構(gòu)可以承受較大的外荷載，可單獨(dú)或與其他結(jié)構(gòu)物聯(lián)合用于大型邊坡加固工程以及滑坡治理等外荷載較大的情形。

圖1 微型樁—錨索系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 分析方法

本文采用修正Mohr-Coulomb模型［7］描述各種巖土材料的物理力學(xué)特性，選用Interface界面單元描述接觸面的物理力學(xué)性質(zhì)，選用Pile以及Cable單元對(duì)微型樁—錨索系統(tǒng)的微型樁和錨索的力學(xué)行為進(jìn)行模擬。

3.1 接觸面的模擬

Interface單元可模擬兩種或多種材料界面不同材料性質(zhì)的間斷特性，圖2為該單元的力學(xué)模型。在Interface單元中，彈性階段的法向力和切向力可以由下式計(jì)算得到:

圖2 Interface單元的力學(xué)模型

3.2 錨索的模擬

Cable單元是由兩個(gè)節(jié)點(diǎn)定義的直線形單元，每一節(jié)點(diǎn)有一個(gè)自由度，即和軸線同向的位移分量(見(jiàn)圖3)。錨索單元可以受拉或受壓屈服，不承受彎矩，力學(xué)模型及材料特性如圖4，圖5所示。

圖3 錨索單元局部坐標(biāo)系及自由度

3.3 微型樁的模擬

Pile單元的剛度矩陣與梁?jiǎn)卧嗤?，且能夠考慮樁與實(shí)體單元的法向和切向摩擦作用。法向和切向摩擦作用通過(guò)耦合彈簧來(lái)實(shí)現(xiàn)。耦合彈簧為非線性、可滑動(dòng)的連接體，能夠在微型樁身節(jié)點(diǎn)和實(shí)體單元之間傳遞力和彎矩。

1)切向耦合彈簧的作用。樁土接觸面切向的受力行為由切向耦合彈簧來(lái)模擬，力學(xué)模型如圖6所示，模型參數(shù)包括剛度ks、粘聚力cs、內(nèi)摩擦角φs以及截面周長(zhǎng)p。

圖4 Cable單元力學(xué)模型

圖5 Cable單元材料力學(xué)特性

圖6 Pile單元切向彈簧的力學(xué)性質(zhì)

圖7 Pile單元法向彈簧的力學(xué)特性

2)法向耦合彈簧的力學(xué)作用。樁土接觸面法向的受力行為由法向耦合彈簧來(lái)模擬，力學(xué)模型如圖7所示，模型參數(shù)包括剛度kn、粘聚力cn、內(nèi)摩擦角φn、截面周長(zhǎng)p以及定義縫隙張開(kāi)屬性的參數(shù)g。

4 微型樁—錨索系統(tǒng)最優(yōu)錨固力的確定

在微型樁—錨索系統(tǒng)中，微型樁和預(yù)應(yīng)力錨索聯(lián)合受力，如何同時(shí)發(fā)揮二者的最大抗滑能力是研究的關(guān)鍵。為此，本文選用理想邊坡模型對(duì)微型樁—錨索系統(tǒng)中錨索的最優(yōu)錨固力進(jìn)行分析，如圖8所示。

模型長(zhǎng)54.9 m，高26 m，寬2.4 m，為準(zhǔn)三維模型;邊坡高10 m，坡率為1∶1.5，坡頂平臺(tái)寬27.7 m，坡腳平臺(tái)寬12.5 m。土體容重18 kN/m3，變形模量60 MPa，泊松比0.2，材料內(nèi)摩擦角20°，粘聚力6 kPa。微型樁孔徑0.15 m，樁長(zhǎng) 15 m，變形模量25 GPa，泊松比0.2，樁身極限彎矩為5.57 kN·m;微型樁群由正斜樁、反斜樁和豎直樁組成，正斜樁和反斜樁傾角均為15°(注:由豎直樁繞樁頂順時(shí)針旋轉(zhuǎn)為正斜，反之為反斜)。預(yù)應(yīng)力錨索俯角10°，長(zhǎng)15 m，其中自由段5.5 m，孔徑0.13 m，砂漿與孔壁粘結(jié)強(qiáng)度150 kPa。

圖8 計(jì)算模型

圖9為自然邊坡的水平位移云圖，圖中所標(biāo)區(qū)域?yàn)樗轿灰拼笥? mm的區(qū)域，根據(jù)滑動(dòng)范圍，可以近似計(jì)算出微型樁—錨索系統(tǒng)布設(shè)位置的土體下滑力，E1=329.0 kN/m，考慮模型寬度為2.4 m，總推力為789.6 kN。圖10為僅采用微型樁群加固變形土體的模型水平位移云圖，由圖可以看出，微型樁的加固作用使坡體變形得到了控制，邊坡最大水平位移6.98 mm。

圖9 模型水平位移云圖

圖10 微型樁加固模型邊坡水平位移云圖

為了研究微型樁—錨索系統(tǒng)的承載性能，通過(guò)調(diào)整滑體容重的辦法增大下滑力和施加錨索預(yù)應(yīng)力，計(jì)算不同錨固力作用下結(jié)構(gòu)內(nèi)力特征值的變化規(guī)律，從受力的角度提出微型樁—錨索系統(tǒng)的合理化布局。

圖11為樁身彎矩特征值隨錨索預(yù)應(yīng)力的變化曲線，由圖可以看出，對(duì)本次計(jì)算而言，當(dāng)錨索預(yù)應(yīng)力約為400 kN時(shí)，由下滑力產(chǎn)生的滑面部位樁身彎矩與錨索作用產(chǎn)生的樁頂彎矩最為接近，微型樁受力更合理;從圖12位移特征值可以看出，當(dāng)錨索預(yù)應(yīng)力約為400 kN時(shí)，下滑力作用下結(jié)構(gòu)位移最小。對(duì)坡體位移而言，隨著預(yù)應(yīng)力的增加，坡體位移越來(lái)越小，但當(dāng)預(yù)應(yīng)力超過(guò)600 kN以后，坡體產(chǎn)生了越頂滑動(dòng)破壞，坡體位移又逐漸增大。

圖11 樁身彎矩特征值隨錨索預(yù)應(yīng)力變化曲線

綜上所述，錨索預(yù)應(yīng)力的大小對(duì)體系的受力性能有比較大的影響。預(yù)應(yīng)力太小，錨索的作用不能完全發(fā)揮;隨著預(yù)應(yīng)力的增大，微型樁的抗力作用在逐漸減弱;預(yù)應(yīng)力過(guò)大有可能將微型樁與預(yù)應(yīng)力錨索接點(diǎn)拉入坡體，從而在微型樁頂部產(chǎn)生較大的反向彎矩，造成微型樁頂部的材料破壞，對(duì)本次計(jì)算而言，采用帶有三排微型樁的微型樁—錨索系統(tǒng)進(jìn)行邊坡加固(正斜樁和反斜樁傾角均為15°)，當(dāng)錨索預(yù)應(yīng)力約為400 kN時(shí)，系統(tǒng)的抗滑性能最好。

圖12 位移特征值隨錨索預(yù)應(yīng)力變化曲線

5 結(jié)語(yǔ)

1)在既有微型樁的基礎(chǔ)上，研究提出了微型樁—錨索系統(tǒng)。本系統(tǒng)在保持微型樁原有施工快捷，組合靈活的基礎(chǔ)上引入預(yù)應(yīng)力錨索結(jié)構(gòu)，在一定程度上提高了結(jié)構(gòu)的抗滑承載力。

2)選用理想邊坡模型對(duì)微型樁—錨索系統(tǒng)中微型樁與錨索的相互作用機(jī)制進(jìn)行分析，研究了最優(yōu)錨固力的確定，從受力的角度提出微型樁—錨索系統(tǒng)的合理化布局。

3)實(shí)際工程中，建議將微型樁與預(yù)應(yīng)力錨索之間接頭部位進(jìn)行焊接，并采用細(xì)石混凝土等進(jìn)行封錨，以保證二者協(xié)同受力。

［1］王恭先.滑坡防治工程措施的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀［J］.中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)，1998，9(1):1-9.

［2］陳德中.巖石高邊坡綜合治理施工技術(shù)［J］.鐵道工程學(xué)報(bào)，2004(9):85-88.

［3］周德培，王喚龍，孫宏偉.微型樁組合抗滑結(jié)構(gòu)及其設(shè)計(jì)理論［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2009，28(7):1353-1362.

［4］Shu-Wei Sun，Ben-Zhen Zhu，Jia-Chen Wang.Design method for stabilization of earth slopes with micropiles［J］.Soils and Foundations，2013，53(4):487-497.

［5］孫書(shū)偉，朱本珍，鄭 靜，等.基于極限抗力分析的微型樁群加固土質(zhì)邊坡設(shè)計(jì)方法［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2010，32(11):1664-1669.

［6］孫書(shū)偉，朱本珍，楊讓宏.微型樁群與普通抗滑樁受力特性的室內(nèi)對(duì)比試驗(yàn)研究［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2009，31(10):1564-1570.

［7］ITASCA.Fast Lagrangian Analysis of Continua in 3 Dimension:User’s Guide［M］.Minneapolis:Itasca Consulting Group，Inc.，2005.